Zamanın Kısa Tarihi | Stephen Hawking

MAR

Özet

Bu yazı, Stephen Hawking'in Zamanın Kısa Tarihi adlı eserinde sunulan temel temaları, bilimsel argümanları ve çığır açan keşifleri sentezlemektedir. Eserin ana hedefi, evrenin doğuşu, yapısı ve kaderi gibi karmaşık konuları, uzman olmayan okuyucular için matematiksel ayrıntılara girmeden anlaşılır kılmaktır. Yazı, evren anlayışımızın tarihsel evrimini, modern fiziğin iki temel direği olan Genel Görelilik ve Kuantum Mekaniği'ni, bu teorilerin birleştiği kritik noktalar olan Büyük Patlama ve Kara Delikler'i ve nihai bir birleşik kuram arayışını detaylandırmaktadır.

Temel Çıkarımlar:

• Statik Evrenden Dinamik Evrene Geçiş: Evren anlayışı, Aristoteles ve Batlamyus'un Dünya merkezli, Newton'un ise mutlak uzay ve zamana dayalı statik modellerinden, Edwin Hubble'ın gözlemleriyle kanıtlanan ve sürekli genişleyen dinamik bir modele evrilmiştir. Bu genişleme, evrenin "Büyük Patlama" olarak bilinen tekil bir başlangıcı olduğunu ima etmektedir.

• Modern Fiziğin İki Sütunu: 20. yüzyıl fiziği iki temel kuram üzerine inşa edilmiştir: Einstein'ın kütle çekimini uzay-zamanın bükülmesi olarak tanımlayan Genel Görelilik Kuramı (büyük ölçekli yapı) ve atom altı dünyanın davranışlarını yöneten, belirsizlik ve olasılıkları temel alan Kuantum Mekaniği (küçük ölçekli yapı). Bu iki kuram birbiriyle çelişmektedir ve modern fiziğin en büyük hedefi onları birleştirmektir.

• Kara Delikler ve Büyük Patlama: Bu iki olgu, Genel Görelilik ve Kuantum Mekaniği'nin bir araya gelmesi gereken aşırı koşulları temsil eder. Genel Görelilik, bu noktalarda kendi geçerliliğini yitiren ve sonsuz yoğunluğa sahip "tekillikler" öngörür.

• Hawking'in Katkıları: Stephen Hawking, kuantum etkilerinin kara deliklerin tamamen kara olmadığını, parçacıklar ve ışıma (Hawking Işıması) yayarak zamanla "buharlaşabileceklerini" göstermiştir. Ayrıca, Jim Hartle ile geliştirdiği "sınırsızlık koşulu" önerisi, evrenin "sanal zaman" içinde bir başlangıç tekilliği veya sınırı olmadığını, dolayısıyla bir Yaratıcı'nın ilk koşulları belirlemesine gerek kalmadan kendi kendine yeten bir varlık olabileceğini öne sürer.

• Nihai Kuram Arayışı: Fiziğin nihai hedefi, doğanın dört temel kuvvetini (kütle çekim, elektromanyetizma, zayıf ve güçlü nükleer kuvvetler) tek bir çatı altında toplayan "her şeyin teorisi"ni bulmaktır. Süperçekim ve özellikle Süperyay (String) Kuramı bu yöndeki en umut verici adaylar olarak öne çıkmaktadır.

1. Evren Anlayışının Evrimi: Antik Çağlardan Newton'a

Evrene dair insan kavrayışı, felsefi ve gözlemsel devrimlerle dolu bir yolculuk olmuştur. İlk modeller, Dünya'yı evrenin merkezine yerleştirirken, Kopernik, Galileo ve Newton'un çalışmaları bu görüşü temelden sarsarak modern bilimin temellerini atmıştır.

Antik ve Klasik Modeller

• Aristoteles'in Küresel Dünya Modeli (M.Ö. 340): Yunan düşünür Aristoteles, Dünya'nın düz bir tepsi değil, küresel olduğuna dair ikna edici kanıtlar sunmuştur:

    ◦ Ay Tutulmaları: Ay tutulması sırasında Dünya'nın Ay üzerine düşen gölgesinin her zaman dairesel olması, ancak küresel bir cisimle mümkündür.

    ◦ Kutup Yıldızı'nın Konumu: Yunanistan'dan Mısır'a gidildikçe Kutup Yıldızı'nın ufka daha yakın görünmesi, Dünya yüzeyinin eğriliğini gösterir.

    ◦ Ufuktaki Gemiler: Ufuktan yaklaşan bir geminin önce yelkenlerinin, sonra gövdesinin görülmesi de bu eğriliğin bir kanıtıdır.

    ◦ Aristoteles, Dünya'nın evrenin merkezinde durağan olduğuna ve Güneş, Ay ve gezegenlerin onun etrafında mükemmel dairesel yörüngelerde döndüğüne inanıyordu.

• Batlamyus'un Gökbilimsel Modeli (M.S. 2. yy): Batlamyus, Aristoteles'in modelini geliştirerek kapsamlı bir gökbilimsel sistem oluşturmuştur.

    ◦ Modelin Yapısı: Merkezde durağan bir Dünya bulunur. Dünya, sırasıyla Ay, Merkür, Venüs, Güneş, Mars, Jüpiter ve Satürn'ü taşıyan sekiz iç içe küre tarafından çevrelenmiştir. En dıştaki küre, konumları değişmeyen "durağan yıldızları" taşır.

    ◦ Kilise Tarafından Benimsenmesi: Bu model, durağan yıldızlar küresinin ötesinde cennet ve cehennem için yeterli yer bıraktığından Hristiyan Kilisesi tarafından kutsal kitaba uygun bir evren görüşü olarak kabul edilmiştir.

Kopernik Devrimi ve Newton'ın Mekanik Evreni

• Kopernik, Galileo ve Kepler: 1514'te Polonyalı papaz Nicholas Copernicus, Güneş'in merkezde olduğu ve Dünya dahil gezegenlerin onun etrafında döndüğü çok daha basit bir model önerdi. Bu model, Johannes Kepler'in gezegenlerin dairesel değil, eliptik yörüngeler izlediğini göstermesi ve Galileo Galilei'nin teleskopik gözlemleriyle (özellikle Jüpiter'in etrafında dönen uyduları keşfetmesi) güçlendi. Galileo'nun bu keşfi, her şeyin Dünya etrafında dönmesi gerekmediğini kanıtlayarak Aristoteles-Batlamyus modeline ölümcül bir darbe vurdu.

• Newton'ın Evrensel Çekim Yasası (1687): Sir Isaac Newton, Principia Mathematica adlı eserinde, cisimlerin hareketini ve kütle çekimini yöneten yasaları formüle etti.

    ◦ Temel Yasalar: Newton, bir cisme etki eden kuvvetin, cismin hızını değiştirdiğini (ivmelendirdiğini) ve mutlak bir durağanlık durumunun olmadığını ortaya koydu.

    ◦ Evrensel Çekim: Evrendeki her cismin diğer her cismi, kütleleriyle doğru, aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılı bir kuvvetle çektiğini belirtti. Bu yasa, gezegenlerin neden eliptik yörüngeler izlediğini matematiksel olarak açıkladı.

    ◦ Statik Evren Sorunu: Newton, kütle çekiminin evrenin statik olamayacağını gösterdiğini fark etti. Sonsuz bir evrende yıldızların neden tek bir noktada toplanmadığı sorusuna, sonsuz uzayda düzgün dağılmış sonsuz yıldızın bir merkezinin olmayacağı şeklinde bir yanıt verdi; ancak bu akıl yürütmenin hatalı olduğu daha sonra anlaşıldı.

2. Modern Fiziğin İki Temel Taşı

20. yüzyıl, evren anlayışımızı iki devrimci kuramla temelden değiştirdi: Genel Görelilik ve Kuantum Mekaniği. Bu iki kuram, modern fiziğin temelini oluşturmakla birlikte, birbiriyle uyumsuzdur ve onları birleştirme çabası günümüz fiziğinin en önemli hedefidir.

Genel Görelilik Kuramı: Eğri Uzay-Zaman

• Özel Görelilik (1905): Michelson-Morley deneyinin ışık hızının her gözlemci için sabit olduğunu göstermesi üzerine Einstein, mutlak zaman kavramını ortadan kaldırdı. Zamanın, gözlemcinin hareketine bağlı olarak değişen göreceli bir kavram olduğunu ve uzay ile zamanın birbirinden ayrılamaz bir "uzay-zaman" dokusu oluşturduğunu öne sürdü. Bu kuramın en bilinen sonuçları, hiçbir şeyin ışıktan hızlı gidemeyeceği ve kütle ile enerjinin E=mc² denklemiyle birbirine eşdeğer olduğudur.

• Genel Görelilik (1915): Einstein, kütle çekimini bir kuvvet olarak değil, kütle ve enerjinin uzay-zaman dokusunu bükmesinin ("eğriltmesinin") bir sonucu olarak yeniden tanımladı.

    ◦ Temel İlke: Cisimler, kütle çekimiyle eğri yörüngeler izlemezler; bunun yerine, eğri uzay-zamanda mümkün olan en düz yol olan "jeodezik"leri takip ederler. Dünya'nın Güneş etrafındaki yörüngesi, Güneş'in kütlesinin büktüğü uzay-zamandaki en düz yoldur.

    ◦ Kanıtları: Bu kuram, Newton'ın açıklayamadığı Merkür'ün yörüngesindeki küçük sapmaları açıkladı ve Güneş gibi büyük kütlelerin yanından geçen ışığın büküleceğini öngördü. Bu öngörü, 1919'daki bir Güneş tutulması sırasında yapılan gözlemlerle doğrulandı.

Kuantum Mekaniği: Atom Altı Dünya

• Belirlenirciliğin Sonu: 19. yüzyılda Laplace'ın savunduğu, evrenin durumunun tamamen belirlenebilir olduğu fikri, kuantum mekaniğiyle yıkıldı.

    ◦ Planck'ın Kuantum Varsayımı (1900): Max Planck, enerjinin sürekli değil, "kuanta" adı verilen ayrık paketler halinde yayılıp soğurulduğunu öne sürdü.

    ◦ Heisenberg'in Belirsizlik İlkesi (1926): Werner Heisenberg, bir parçacığın konumunu ve hızını (veya momentumunu) aynı anda tam bir kesinlikle ölçmenin imkânsız olduğunu gösterdi. Konum ne kadar kesin ölçülürse, hız o kadar belirsizleşir ve tersi de geçerlidir. Bu ilke, evrenin temel, kaçınılmaz bir özelliğidir ve bilimsel belirlenircilik (determinizm) düşüncesine son vermiştir.

• Temel Kavramlar:

    ◦ Dalga/Parçacık İkiliği: Kuantum mekaniği, parçacıkların dalga, dalgaların ise parçacık gibi davranabildiğini gösterir. Bu ikilik, elektronlar gibi parçacıkların bile "girişim" desenleri oluşturabilmesini açıklar.

    ◦ Pauli Dışlama İlkesi: İki benzer madde parçacığı (1/2 dönmeli parçacıklar) aynı kuantum durumunda (aynı konum ve aynı hızda) bulunamaz. Bu ilke, maddenin neden çökerek sonsuz yoğun bir "çorba" haline gelmediğini açıklar ve atomların yapısının temelini oluşturur.

3. Genişleyen Evren ve Büyük Patlama

20. yüzyılın en büyük düşünsel devrimlerinden biri, evrenin durağan değil, sürekli genişlemekte olduğunun keşfidir. Bu keşif, evrenin bir başlangıcı olduğu fikrini bilimsel bir temele oturtmuştur.

Hubble'ın Keşfi ve Friedmann'ın Modelleri

• Genişleyen Evren (1929): Edwin Hubble, uzak galaksilerden gelen ışığın renk yelpazesini incelediğinde, hemen hepsinin "kırmızıya kaydığını" gözlemledi. Doppler etkisine göre bu, galaksilerin bizden uzaklaştığı anlamına geliyordu. Dahası, bir galaksinin uzaklaşma hızı, bize olan uzaklığıyla doğru orantılıydı. Bu, evrenin topyekûn genişlediğinin kanıtıydı.

• Friedmann'ın Çözümleri (1922): Rus matematikçi Alexander Friedmann, Einstein'ın Genel Görelilik denklemlerini çözerek evrenin statik olamayacağını ve genişlemesi gerektiğini Hubble'dan yıllar önce teorik olarak göstermişti. Friedmann'ın modelleri, evrenin kaderi için üç olası senaryo sunar:

    1. Kapalı Evren: Genişleme hızı yavaştır; kütle çekimi galip gelir, genişleme durur ve evren kendi içine çökerek "Büyük Çatırtı" ile son bulur.

    2. Açık Evren: Genişleme hızı çok yüksektir; kütle çekimi genişlemeyi yavaşlatsa da durduramaz ve evren sonsuza dek genişler.

    3. Düz (Kritik) Evren: Genişleme hızı, çöküşü kıl payı önleyecek kritik bir değerdedir. Evren sonsuza dek genişler ama genişleme hızı sürekli yavaşlayarak sıfıra yaklaşır.

Büyük Patlama ve Kanıtları

• Büyük Patlama Tekilliği: Genişleyen bir evren, zamanda geriye gidildiğinde tüm maddenin tek bir noktada toplandığı bir anı ima eder. Bu başlangıç anına "Büyük Patlama" denir. Bu anda, evrenin yoğunluğu ve uzay-zaman eğriliği sonsuzdu. Bu "tekillik" anında bilinen fizik yasaları çöker.

• Kozmik Mikrodalga Arka Plan Işıması (1965): Arno Penzias ve Robert Wilson, evrenin her yönünden gelen gizemli bir mikrodalga "gürültüsü" keşfettiler. Bu ışımanın, evrenin ilk, çok sıcak ve yoğun döneminden kalan bir "yankı" olduğu anlaşıldı. Bu keşif, sıcak Büyük Patlama modelinin en güçlü kanıtıdır.

• Şişen Evren Modeli: Standart Büyük Patlama modeli, evrenin neden bu kadar düzgün ve genişleme hızının neden kritik değere bu kadar yakın olduğunu açıklayamaz. Alan Guth ve Andrei Linde'nin "şişen evren" modeli, evrenin varoluşunun ilk anlarında (saniyenin çok küçük bir kesrinde) akıl almaz bir hızla üstel olarak genişlediğini öne sürer. Bu şişme dönemi, başlangıçtaki düzensizlikleri "düzleştirmiş" ve evrenin bugünkü homojen yapısını ve kritik yoğunluğa yakınlığını açıklamıştır.

4. Kara Delikler: Çekimin Nihai Zaferi

Kara delikler, kütle çekiminin o kadar güçlü olduğu uzay-zaman bölgeleridir ki, hiçbir şey, ışık bile, onlardan kaçamaz. Genel Göreliliğin en çarpıcı öngörülerinden biridirler ve evrenin en gizemli nesneleridir.

Oluşum ve Özellikler

• Çekimsel Çöküş: Büyük kütleli bir yıldız (Güneş'in kütlesinin yaklaşık 1.5 katından fazla olan Chandrasekhar sınırı üzerindeki yıldızlar) nükleer yakıtını tükettiğinde, kendi kütle çekimi altında çöker. Bu çöküş durdurulamazsa, yıldız bir kara delik oluşturur.

• Olay Ufku ve Tekillik: Kara deliğin sınırı, "olay ufku" olarak adlandırılan tek yönlü bir zardır. Bu sınırdan içeri giren her şey, kaçınılmaz olarak merkeze doğru çekilir. Merkezde, maddenin sonsuz yoğunluğa sıkıştığı ve uzay-zaman eğriliğinin sonsuz olduğu bir "tekillik" bulunur.

• "Kara Deliğin Saçı Yoktur" Teoremi: Bir kara delik oluştuktan sonra, onu oluşturan yıldızın karmaşık özelliklerini kaybeder. Dışarıdan gözlemlenebilen sadece üç özelliği kalır: kütlesi, dönme hızı (açısal momentum) ve elektrik yükü.

Kara Delikler O Kadar da Kara Değil

• Hawking Işıması (1974): Stephen Hawking, kuantum mekaniğinin belirsizlik ilkesini kara deliklerin olay ufku yakınına uyguladığında, kara deliklerin parçacıklar ve ışıma yayması gerektiğini keşfetti. Bu buluş, Genel Görelilik ve Kuantum Mekaniği'nin birleştiği ilk önemli sonuçtur.

    ◦ Mekanizma: "Boş" uzayda, kuantum dalgalanmaları nedeniyle sürekli olarak "sezilgen" parçacık-karşıparçacık çiftleri oluşur ve hemen birbirini yok eder. Olay ufku yakınında, bu çiftlerden birisi (eksi enerjili olan) kara deliğin içine düşerken, diğeri (artı enerjili olan) dışarı kaçabilir. Uzaktaki bir gözlemci için bu, kara deliğin ışıma yapması gibi görünür.

    ◦ Sonuçları: Bu ışıma nedeniyle kara delikler kütle kaybeder ve zamanla "buharlaşarak" yok olurlar. Küçük kara delikler, büyük olanlardan daha sıcaktır ve daha hızlı buharlaşırlar. Bu keşif, kara deliklerin entropiye (düzensizliğe) ve sıcaklığa sahip olduğunu göstererek termodinamiğin ikinci yasasıyla uyumlu bir çerçeve sağlamıştır.

5. Fiziğin Birleştirilmesi Arayışı

Modern fiziğin nihai hedefi, doğayı yöneten tüm kuvvetleri ve parçacıkları tek bir, tutarlı ve eksiksiz kuram altında birleştirmektir.

Temel Parçacıklar ve Dört Kuvvet

• Maddenin Yapı Taşları: Madde, 1/2 dönmeli temel parçacıklardan (kuvarklar ve leptonlar) oluşur. Örneğin, protonlar ve nötronlar, her biri üç kuvarktan meydana gelir.

• Doğanın Dört Temel Kuvveti:

    1. Güçlü Nükleer Kuvvet: Kuvarkları bir arada tutarak proton ve nötronları, proton ve nötronları da bir arada tutarak atom çekirdeğini oluşturur. Taşıyıcısı "gluon"dur.

    2. Elektromanyetik Kuvvet: Elektrik yüklü parçacıklar arasında etki eder. Atomları ve molekülleri bir arada tutar. Taşıyıcısı "foton"dur.

    3. Zayıf Nükleer Kuvvet: Radyoaktif bozunmadan sorumludur. Taşıyıcıları "W ve Z bosonları"dır.

    4. Kütle Çekim Kuvveti: Tüm parçacıkları etkileyen en zayıf ama en uzun menzilli kuvvettir. Evrenin büyük ölçekli yapısını belirler. Taşıyıcısının "graviton" olduğu düşünülmektedir.

Birleşik Kuramlara Doğru

• Elektrozayıf Kuram: Elektromanyetik ve zayıf nükleer kuvvetlerin, yüksek enerjilerde aynı temel kuvvetin farklı görünümleri olduğu kanıtlanmıştır.

• Büyük Birleşik Kuramlar (BBK - GUT): Elektrozayıf kuramı, güçlü nükleer kuvvetle birleştirmeye çalışan kuramlardır. Henüz deneysel olarak doğrulanamamışlardır.

• Her Şeyin Teorisi Arayışı: Nihai hedef, BBK'ları kütle çekimiyle birleştiren bir kuantum çekim kuramı bulmaktır.

    ◦ Süperyay (String) Kuramı: Günümüzdeki en umut verici adaydır. Bu kurama göre, temel varlıklar nokta benzeri parçacıklar değil, titreşen tek boyutlu "yaylar"dır. Yayın farklı titreşim modları, farklı temel parçacıklara karşılık gelir. Bu kuram, ancak uzay-zamanın bilinen dört boyutu yerine on veya daha fazla boyutu varsa tutarlı olabilmektedir. Gözlemleyemediğimiz bu ekstra boyutların, çok küçük bir ölçekte "kıvrılıp büküldüğü" düşünülmektedir.

6. Zamanın Oku ve Evrenin Yazgısı

Günlük deneyimlerimiz, zamanın tek bir yönde, geçmişten geleceğe doğru aktığını gösterir. Ancak fiziğin temel yasaları, zamanın ileri ve geri akışı arasında bir ayrım yapmaz. Bu çelişki, "zamanın oku" problemini ortaya çıkarır.

• Zamanın Üç Oku:

    1. Termodinamik Ok: Kapalı bir sistemde düzensizliğin (entropinin) her zaman artması yönü.

    2. Psikolojik Ok: Zamanın aktığını hissettiğimiz ve geçmişi hatırlayıp geleceği hatırlamadığımız yön. Hawking, bu okun termodinamik ok tarafından belirlendiğini savunur.

    3. Evrenbilimsel Ok: Evrenin büzülmek yerine genişlediği yön.

• Sınırsızlık Koşulu ve Zamanın Oku: Hawking ve Hartle'nin "sınırsızlık koşulu" önerisi, evrenin bir başlangıç sınırı veya tekilliği olmadığını öne sürer. Bu koşul, evrenin başlangıcının son derece düzenli (düşük entropili) bir durumda olmasını gerektirir. Zaman ilerledikçe bu düzenli durumdan kaçınılmaz olarak daha düzensiz durumlara geçilir. Bu, termodinamik okun varlığını ve yönünü açıklar. Evrenin genişleyen evresinde olmamız ise, akıllı yaşamın ancak bu evrede ortaya çıkabileceğini söyleyen "insancı ilke" ile açıklanabilir.

7. Sonuç: Fiziğin Felsefesi

Zamanın Kısa Tarihi, bilimin nihai sorulara verdiği yanıtları araştırır: Evren neden var? Nereden geldi ve neden bu yasalara uyuyor?

• Eğer evren, "sınırsızlık koşulu"nun önerdiği gibi tamamen kendi kendine yeten, başlangıcı ve sonu olmayan bir varlıksa, o zaman bir Yaratıcı'nın rolü ne olur? Hawking'e göre, böyle bir evrenin ne yaratılmasına ne de yok edilmesine gerek vardır; o sadece "olacaktır".

• Tam bir birleşik kuramın bulunması, insan aklının en yüce zaferi olacaktır. Bu, sadece bilim insanlarının değil, herkesin evreni yöneten yasaları anlamasını sağlayabilir. Bu noktaya ulaşıldığında, insanlık "Tanrı'nın aklından neler geçtiğini bilecek" duruma gelebilir.